Ультрачувствительный УФ-фотодетектор на основе гетероструктуры NiO/β-Ga₂O₃ для передовых приложений

Аннотация

УФ-фотодетекторы привлекли широкое внимание благодаря своим vielfältigen применениям от оборонных технологий до оптических коммуникаций. Использование полупроводниковых материалов металлических оксидов с широкой запрещенной зоной представляет большой интерес для разработки УФ-фотодетекторов благодаря их уникальным электронным и оптическим свойствам. В данной работе разработан и исследован глубокий УФ-фотодетектор на основе гетероструктуры NiO/β-Ga₂O₃. Слой β-Ga₂O₃ был получен методом магнетронного спуттеринга и после отжига продемонстрировал селективную ориентацию вдоль семейства кристаллических плоскостей (\overline{2} 01). Фотодетектор показал высокую производительность: высокую чувствительность (R) 27,43 А/Вт под освещением 245 нм (27 мкВт/см²) и максимальную обнаруживаемость (D*) 3,14 × 10¹² см·Гц¹ᐟ²/Вт, что атрибутируется p-NiO/n-β-Ga₂O₃ гетероструктуре.

Введение

Существует большой исследовательский интерес в разработке ультрафиолетовых (УФ) фотодетекторов благодаря их широкому спектру применений: предупреждение о ракетарных запусках, биохимический анализ, обнаружение пламени и озона, оптические коммуникации. По сравнению с полупроводниками SiC и GaN, УФ-фотодетекторы на основе полупроводниковых металлических оксидов с широкой запрещенной зоной предлагают множество преимуществ. Например, фотодетекторы на основе металлических оксидов не окисляются легко и демонстрируют чувствительный отклик. Кроме того, они просты в эксплуатации и могут быть изготовлены малого размера [1, 2]. Поэтому полупроводниковые металлические оксиды с широкой запрещенной зоной и основанные на них устройства привлекли большое исследовательское внимание в последние годы. На данный момент такие металлические оксиды, как ZnO [3-5], TiO₂ [6, 7], SnO₂ [8], NiO [9] и Ga₂O₃ [10, 11], изучались для использования в высокопроизводительных УФ-фотодетекторах. Среди них стабильная фаза Ga₂O₃ (β-Ga₂O₃) становится предпочтительным материалом для УФ-фотодетекторов, так как это полупроводник с прямой запрещенной зоной сверхширокой ширины ~4,9 эВ, который эффективно реагирует на УФ-диапазон. Легкость процесса роста материала — дополнительное преимущество.

Несколько исследовательских групп пытались повысить производительность УФ-фотодетекторов, разрабатывая гетероструктурные устройства из двух разных полупроводниковых металлических оксидов. Например, Zhao и соавт. сообщали об исследованиях УФ-фотодетекторов на основе core-shell гетероструктур ZnO-Ga₂O₃, которые демонстрировали ультравысокую чувствительность и обнаруживаемость благодаря лавинному мультипликативному эффекту [12, 13]. В данной работе исследовали другую металлическую оксидную гетероструктуру, такую как NiO/β-Ga₂O₃, для обеспечения высокопроизводительного УФ-фотодетектора. Во-первых, кристаллическая несоответствие β-Ga₂O₃ и NiO относительно невелико. Во-вторых, запрещенная зона NiO шире, чем у ZnO, использованного в предыдущих исследованиях. p-типовая проводимость NiO и n-типовая β-Ga₂O₃ привели к нескольким отчетам об изучении электрических свойств гетероструктуры NiO/β-Ga₂O₃ для приложений в силовой электронике [14]; однако отчетов об использовании этой гетероструктуры в фотодетекторах ограничено. В данном исследовании УФ-фотодетектор на основе NiO/β-Ga₂O₃ был изготовлен методом магнетронного спуттеринга на прозрачном субстрате из индиевой окисленной олова (ITO). Результаты показали, что фотодетектор NiO/β-Ga₂O₃ демонстрирует отличную чувствительность к УФ-свету (245 нм) с хорошей стабильностью.

Методы

Керамические мишени Ga₂O₃ и NiO (99,99%) были приобретены у Zhongnuo Advanced Material (Beijing) Technology Co. Ltd. Сапфировый субстрат с плоскостью (0001) был куплен у Beijing Physike Technology Co. Ltd. ITO-покрытый кварцевый субстрат приобретен у Beijing Jinji Aomeng Technology Co. Ltd. Все химические реактивы использовались без дополнительной очистки.

Пленка β-Ga₂O₃ готовилась методом ВЧ магнетронного спуттеринга при комнатной температуре. Для характеризации пленку осаждали на сапфировый субстрат с плоскостью (0001). Перед осаждением субстрат подвергали влажной очистке в смешанном растворе аммиачной воды, перекиси водорода и деионизированной воды (1:1:3) при 80 °C в течение 30 мин. Затем его многократно промывали деионизированной водой и сушили азотом для удаления поверхностных загрязнений, что повышало однородность и адгезию пленки на субстрате. Спуттеринг проводили при давлении 0,7 Па с потоками кислорода и аргона 5 и 95 ссм соответственно. Мощность спуттеринга 200 Вт использовалась в течение 60 мин для осаждения пленки. Наконец, осажденную пленку отжигали в воздухе при 800 °C (60 мин) со скоростью нагрева 10 °C/мин.

Кристаллическую структуру пленки Ga₂O₃ изучали рентгеновской дифракцией (XRD, EMPYREAN) и проходной электронной микроскопией (TEM, JEM-2100). Абсорбционные спектры пленки Ga₂O₃ на сапфировом субстрате измеряли УФ-Vis спектроскопией (iHR-320), что также давало оценку оптической запрещенной зоны пленки. Поверхностную морфологию и толщину осажденной пленки Ga₂O₃ характеризовали с помощью атомно-силовой микроскопии (AFM, SPA-400) и оптического микроскопа (LEICA DM 2700 M). Элементный анализ пленки Ga₂O₃ выполняли рентгеновской фотоэлектронной спектроскопией (XPS, K-Alpha+). Токово-вольтметрические (J-V) измерения на фотодетекторе NiO/β-Ga₂O₃ выполняли с помощью источника-измерителя Keithley 2400. Все измерения проводились при комнатной температуре.

Результаты и обсуждение

На Рис. 1a показаны XRD-спектры пленки Ga₂O₃, выросшей на плоскости (0001) сапфирового субстрата до и после отжига. До отжига асаосажденная пленка демонстрировала аморфное состояние, так как в спектре наблюдались только два пика (отмеченные как «*»), связанные с субстратом. После отжига пленки при 800 °C XRD-спектр показал шесть характерных пиков, соответствующих кристаллическим плоскостям β-фазы Ga₂O₃, которая принадлежит мононической кристаллической системе. Наблюдаемый спектр согласуется с ранее опубликованными работами [15, 16]. Эти характерные пики отжигленной β-Ga₂O₃ пленки показали хорошую кристалличность с преференциальной ориентацией вдоль семейства (\overline{2} 01) кристаллических плоскостей.

На Рис. 1d, e представлены TEM и HRTEM изображения β-Ga₂O₃ пленки после отжига. Как видно, интерпланарные расстояния (\overline{2} 01), (400) и (\overline{2} 02) кристаллических плоскостей составляли 4,69 Å, 2,97 Å и 2,83 Å соответственно, что снова свидетельствует о хорошей кристалличности и хорошо согласуется с ранее опубликованными данными [17, 18].

AFM-изображение β-Ga₂O₃ пленки на сапфировом субстрате показано на Рис. 1f. Асаосажденная пленка демонстрировала однородную гранулярную поверхностную топографию с относительно малой среднеквадратичной (RMS) шероховатостью поверхности 1,36 нм. После отжига RMS шероховатость пленки увеличилась до 1,68 нм. Такой рост RMS шероховатости после отжига также сообщали Hao и соавт. [19]. Возможно, термическая обработка может приводить к поверхностным структурным дефектам. Требуются дальнейшие исследования для понимания причин изменения поверхностной морфологии после отжига. AFM-топографии ступени между пленкой и субстратом до и после отжига показаны на Рис. 1g, h; линейные профили (в вставке) указывали на толщину пленки 114 ± 6,4 нм и 123 ± 2,0 нм (увеличение ~8%) соответственно. Увеличение толщины пленки и RMS после отжига может быть связано с тем, что фазовый переход от аморфного состояния к кристалличности приводит к росту нанокристаллических зерен.

УФ-Vis абсорбционные спектры β-Ga₂O₃ пленок до и после отжига показаны на Рис. 1b. Обе пленки демонстрировали сильное УФ-поглощение в диапазоне 190–300 нм и практически никакого поглощения в видимом диапазоне. Это показало, что термическая обработка не оказывала существенного влияния на поглощающий край. Она вызывала лишь небольшой красный сдвиг около 10 нм с незначительным усилением пика поглощения. Уравнение (1) можно использовать для оценки оптической энергии запрещенной зоны (E_g) пленки.

$$ \alpha (h\nu) = A(h\nu - E_g)^{1/2} $$ (1)

где α — коэффициент поглощения, hν — фотонная энергия, A — постоянная. Учитывая толщину пленок, измеренную AFM, E_g асаосажденной и отжигленной пленок можно определить из графиков на Рис. 1c, которые дали значения 5,137 эВ и 5,135 эВ соответственно. Эти значения близки к теоретическому E_g 4,9 эВ для β-Ga₂O₃.

XPS-спектры β-Ga₂O₃ пленки показаны на Рис. 2. На Рис. 2a–c и d–f приведены XPS-спектры обзорного сканирования, Ga и O элементов до и после отжига соответственно. Элемент C, наблюдаемый в обзорном сканировании, был адвентитным углеродом. После отжига пик C 1s значительно снизился, что указывает на то, что большая часть углерода была удалена при термической обработке. Энергия связи Ga3d на Рис. 2b и e соответствовала 21,14 эВ и 20,70 эВ соответственно, что соответствует Ga-O связи образцов, а энергия связи после отжига снизилась на 0,44 эВ. Пики O 1s аппроксимировали двумя компонентами, связанными с кислородными вакансиями (O_V) и решетным кислородом (O_L). Соотношения площадей O_V и O_L (например, S_OV:S_OL) до и после отжига составляли 0,47 и 0,12 соответственно. Это указывает на увеличение атомов решетного кислорода в результате термической обработки, приводящей к кристаллизации, когда атомы кислорода переходят в свои соответствующие решетные позиции.

Был изготовлен УФ-фотодетектор, состоящий из β-Ga₂O₃ пленки. Для фотодетектора спроектировали простую вертикальную структуру, состоящую из ITO/NiO/Ga₂O₃/Al. Схематическая диаграмма структуры устройства показана на Рис. 3a. Слой NiO сначала спуттерировали на ITO-покрытый кварцевый субстрат после применения тех же процедур влажной очистки, что и для сапфирового субстрата; детальная подготовка и характеризация NiO пленки показаны в Дополнительном файле 1: Рисунок S1 и Рисунок S2. Слой Ga₂O₃ затем спуттерировали с использованием вышеуказанных параметров осаждения. Подготовленную гетероструктуру отжигали в воздухе при 600 °C в течение 30 мин для избежания теплового повреждения ITO (с знанием того, что β-Ga₂O₃ может формироваться при температуре отжига выше 550 °C), после чего методом парового осаждения наносили Al-электроды (2 × 2 мм²) на поверхность Ga₂O₃ пленки. Наконец, Al-электроды и ITO-субстрат использовались как верхний и нижний электроды соответственно.

На Рис. 3b показана энергетическая диаграмма зон фотодетектора. Мы рассчитали E_g NiO пленки согласно уравнению (1), как показано в Дополнительном файле 1: Рисунок S3. E_g NiO пленки составляет около 3,4 эВ после отжига. Широкие запрещенные зоны β-Ga₂O₃ (5,1 эВ) и NiO (3,4 эВ) чувствительны к УФ-свету. Под УФ-освещением (hν) электроны получают достаточно энергии для перехода в зону проводимости, генерируя электронно-дырочные пары. Эти фотогенерированные пары разделяются встроенным электрическим полем и собираются соответствующими электродами. Здесь гетероструктура с соответствующим выравниванием зон может способствовать разделению и сбору зарядов.